литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 22. Расходомеры и счетчики

22.12. Тепловые расходомеры

Принцип действия тепловых расходомеров основан на непрерывном нагреве потока вещества (калориметрические расходомеры) или специального термоэлемента, помещенного в поток (термоанемометры) [5, 12, 13]. В первом случае массовый расход определяется количеством тепла, обеспечивающим определенную разность температур потока до и после нагревателя; во втором — количеством тепла, теряемым нагретым или непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток.

Калориметрические расходомеры

Если пренебречь теплом, отдаваемым потоком в окружающую среду, то уравнение теплового баланса между расходом тепла, потребляемым нагревателем, и теплом, сообщенным потоку, имеет вид

где k0 — поправочный коэффициент на неравномерность распределения температур по сечению трубопровода; ср — теплоемкость (для газа при постоян-

ном давлении) при температуре t2 t1 ; t1, t2 — температуры потока до и после 2

нагревателя.

Тепло к потоку в калориметрических расходомерах подводится обычно электронагревателями, для которых

где I — сила тока, R — сопротивление нагревателя.

На основании выражений (22.15) и (22.16) статическая характеристика калориметрических расходомеров имеет вид

Возможны и существуют два способа измерения массового расхода в соответствии с выражением (22.17): расход определяют по значению мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную разность температур Дt = t2 — t1; расход определяют по разности температур Дt при неизменной мощности, подводимой к нагревателю.

В первом случае расходомеры работают как регуляторы температуры нагрева потока, у которых измерительным и регулирующим звеном является уравновешенный мост с термометрами сопротивления до и после нагревателя. При изменении разности температур мост выходит из равновесия и включает устройство, которое изменяет регулировочное сопротивление. Сопротивление, а, следовательно, и ток нагревателя будут изменяться до тех пор, пока не восстановится заданная степень нагрева. Массовый расход при этом определяют по показаниям ваттметра, включенного в цепь нагревателя.

Датчики калориметрических расходомеров второго типа состоят из двух последовательно соединенных термометров сопротивления, устанавливаемых до и после нагревателя. Кроме термометров сопротивления используются также термисторы и термопары. Термометры сопротивления обладают тем преимущест-

Глава 22. Расходомеры и счетчики

Тепловые расходомеры, в которых нагреватель и термопреобразователи расположены на внешней стороне трубопровода, называют квазикалориметрическими. В таких расходомерах при малых диаметрах труб (от 1,5 мм до 25 мм) прогревается не только пограничный с трубой слой, но и в значительной мере весь поток, поэтому измеряемая разница температуры очень близка к разнице температур потока до и после нагревателя.

Принцип работы квазикалориметрического расходомера объясняет схема на рис. 22.18, б. На трубу 1 из теплопроводного материала (покрытую смоляным лаком) наматывают нагреватели 3 и устанавливают терморезистивные преобразователи 2 и 4. Последние вместе с резисторами R1 и R2 образуют неуравновешенный мост постоянного тока, который питается от стабилизированного источника напряжения U. Исходное напряжение моста (показания милливольтметра), который является функцией разницы сопротивлений термопреобразователей R1, R2, служит мерой измеряемого расхода.

22.13. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, который пересекает магнитные силовые линии, наводится электродвижущая сила, пропорциональная скорости движения проводника [2, 5, 13, 14, 15]. Если использовать в качестве проводника электропроводную жидкость, протекающую в трубопроводе, который находится между полюсами постоянного магнита, и измерить наведенную в жидкости ЭДС, то можно определить скорость потока, а, следовательно, и объемный расход жидкости.

Устройство электромагнитного расходомера объясняет рис. 22.19. Между полюсами постоянного магнита перпендикулярно к направлению магнитных силовых линий расположен отрезок металлической немагнитной трубы 3, находящейся между фланцами трубопровода с исследуемым потоком жидкости. Внутренняя поверхность трубы покрыта электроизоляционным материалом. В плоскости, перпендикуляр-

соединены к измерительному прибору (милливольтметра или потенциометра). Индуцируемая разность потенциалов Е, которая наводится в потоке жид-

кости, есть

где В — магнитная индукция; Π — средняя скорость потока жидкости; D — внутренний диаметр трубопровода; QΠ — объемный расход жидкости.

22.14. Акустические расходомеры

Из данного уравнения видно, что при B = const наведенная в потоке жидкости ЭДС пропорциональна объемному расходу жидкости. Электромагнитные расходомеры могут использоваться для измерений расхода электропроводных жидкостей с электропроводностью не меньшей, чем (10-5...10-6) См/м.

Основным и существенным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем является возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации, которая приводит к значительным погрешностям измерений. Паразитная ЭДС поляризации может быть устранена за счет использования электромагнитов, которые питаются переменным током. В этом случае индуцируемая разность потенциалов есть

где Вmах — амплитудное значение магнитной индукции; щ = 2рf — круговая частота переменного тока; D — диаметр трубы.

Основным недостатком электромагнитных расходомеров с переменным магнитным полем является возникновение так называемой трансформаторной ЭДС, то есть наведение паразитной ЭДС в электрической цепи, создаваемой жидкостью, электродами, соединительными проводниками и измерительным прибором, значение которой может достигать 20 % от значения полезного сигнала.

Для уменьшения влияния трансформаторных ЭДС используют специальные дифференциальные индукционные преобразователи. Трансформаторные ЭДС, наводящиеся в двух идентичных обмотках дифференциального индукционного преобразователя, которые равны по значению и противоположны по фазе, взаимно компенсируются в следующем преобразователе (первичной обмотке исходного трансформатора).

Электромагнитные расходомеры имеют и значительные преимущества. Они практически безынерционны, что очень важно при измерении расхода скоростных потоков и при их использовании в системах автоматического регулирования. На результат измерений не влияет наличие твердых частиц в потоке и газовых пузырьков, а показания расходомера не зависят от свойств исследуемого вещества, таких как вязкость, плотность. Погрешность электромагнитных расходомеров составляет ± (0,5...1) % от диапазона измерений.

22.14. Акустические расходомеры

Акустический метод измерения расхода жидкостей и газов основан на том, что фактическая скорость распространения звуковой волны в движущейся со скоростью х среде определяется геометрической суммой скорости звука с в этой среде и скорости х [4, 5, 8, 13, 15]. Измеряя тем или иным способом суммарную скорость, можно определить величину х при известном значении с. Известные акустические методы можно разделить на две группы, отличающиеся взаимным направлением векторов х и с.

К первой группе относится метод, основанный на измерении сноса движущейся средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к потоку (рис. 22.20).

22.14. Акустические расходомеры

Следовательно, разность t времен прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него есть

Измеряя Дt при известных (оцениваемых в процессе градуировки ультразвуковых расходомеров) значениях постоянных сомножителей, можно определить расход Q.

Для получения высокой точности измерений импульсы должны быть достаточно короткими по сравнению со временем прохождения сигнала, для чего необходима большая частота (порядка 5 МГц) ультразвуковых колебаний. Недостатком метода является зависимость показаний ультразвукового расходомера от изменений с.

Частотно импульсный метод. При этом методе измерений с помощью цепи обратной связи обеспечивается непрерывное повторение процесса посылки импульсов по потоку с частотой

Это означает, что каждый ультразвуковой импульс, достигая приемного преобразователя, возбуждает посылку нового импульса.

Разность частот f, измеряемая с помощью дифференциальной схемы, определяет статическую характеристику частотно-импульсных ультразвуковых расходомеров

Преимуществом этого метода является независимость выходной характеристики от скорости звука, а, следовательно, и от физико-химических свойств измеряемой среды.

Фазовый метод, заключающийся в непрерывном излучении ультразвуковых колебаний в поток (по направлению движения среды и против него) и измерении разности фаз Дц принятых колебаний.

Если обозначить через щ частоту ультразвуковых колебаний, то статическая характеристика фазовых ультразвуковых расходомеров имеет вид

Каждый из рассмотренных методов имеет свои преимущества и недостатки, свои специфические источники погрешностей, свои способы и средства устранения их.

22.16. Расходомеры, основанные на использовании явления ЯМР

Рассеянный свет улавливается приемной оптической системой 5 и направляется на фотодетектор 7. Выделение и регистрация частотного сигнала осуществляются анализатором спектра или автоматической следящей системой 8. Диафрагма 6 предохраняет фотодетектор от фонового излучения.

Для непосредственного измерения расхода оптическим методом применяют лазерные установки, работающие на эффекте Френеля-Физо (рис. 22.24).

цепи которого появляется фототек разностной частоты биений, пропорциональной скорости потока, осредненной по пути луча.

Статическая характеристика преобразования таких систем имеет вид

где u — проекция вектора скорости на направление луча; п — показатель преломления среды; L — длина пути луча в потоке среды; Lp — оптическая длина пути в резонаторе лазера.

22.16.Расходомеры, основанные на использовании явления

ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Поляризованные в постоянном магнитном поле атомные ядра большинства элементов, помещенные в переменное осциллирующее поле, при угловой частоте последнего, равной угловой скорости прецессии ядер (ларморовой частоте), взаимодействуют с ним, поглощая часть его энергии. При этом изменяется намагниченность ядер, т.е. суммарный магнитный момент ядер в единице объема вещества. В упрощенном виде это явление, называемое явлением ядерного магнитного резонанса, объясняется следующим образом. Магнитные свойства любого вещества определяются магнитными моментами электронной оболочки и ядер атомов. Ядро, кроме того, обладает собственным моментом количества движения (спином) аналогично вращающемуся ротору гироскопа.

Глава 22. Расходомеры и счетчики

При внесении вещества в магнитное поле последнее стремится ориентировать магнитные моменты ядер вдоль силовых линий. При этом ядра начинают прецессировать вокруг этого направления с частотой 0 H (г — постоянное для данного вида ядер гиромагнитное отношение; Н — напряженность магнитного поля) и разделяются на две группы с различными энергетическими уровнями. В одной группе магнитные моменты направлены по полю, в другой — против него. После установления термического равновесия число ядер п1 в первой группе несколько превышает число ядер п2 во второй, что и обусловливает на-

магниченность вещества n1 n2 . Если на постоянное поле наложить перпен- n1 n2

дикулярно ему переменное, изменяющееся с частотой щ = щ0, то начинается переход ядер с одного энергетического уровня на другой, сопровождающийся поглощением энергии поля. Этот процесс происходит до тех пор, пока число ядер в обеих группах не уравняется, т.е. до полного размагничивания вещества. Процесс размагничивания происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени Т1о, где Т1 — время продольной релаксации; о — фактор насыщения, значение которого убывает с увеличением амплитуды переменного поля Н1. При некотором значении Н1 вещество полностью размагничивается, и поглощение энергии поля прекращается.

После снятия переменного поля намагниченность вещества восстанавливается с постоянной времени Т1.

Существует несколько принципов построения расходомерных устройств, основанных на ядерном магнитном резонансе [5, 6, 7, 13, 15]. Явление ядерного резонанса используют для создания «меток» в потоке измеряемого вещества.

Схема ядерно-магнитного расходомера, работающего на принципе контрольных «меток», показана на рис. 22.25. Жидкость проходит через магнитное поле, создаваемое магнитном 1, и поляризуется. Протекая через катушку

ным напряжением резонансной частоты. В моменты протекания поляризованных молекул через осциллирующее поле ка-

тушки 3 в ее цепи будет возникать сигнал ядерного магнитного резонанса, фиксируемый измерительной схемой 4. Таким образом, здесь измерение расхода сводится к измерению времени между моментом отключения напряжения от катушки 2 и моментом появления сигнала ядерного резонанса в схеме 4, связанной с катушкой 3.

22.17. Центробежные расходомеры

Другой принцип работы ЯМР основан на зависимости амплитуды А сигнала ядерного магнитного резонанса от скорости х течения жидкости

где А0 — амплитуда сигнала ядерного магнитного резонанса в неподвижной жидкости; l — длина датчика, создающего резонансное поле.

ядер (например, жидкости, содержащие водород или фтор), обеспечивающим достаточную чувствительность датчика. Концентрация ядер должна оставаться постоянной, в противном случае изменяется чувствительность датчика и появляются неконтролируемые дополнительные погрешности измерений. Так как концентрация ядер пропорциональна плотности вещества, то все факторы (температура, концентрация, давление и т.п.), вызывающие изменение плотности, будут влиять на показания амплитудных ЯМР.

22.17. Центробежные расходомеры

Принцип действия центробежных расходомеров (рис. 22.27) основан на том, что при движении среды по криволинейному участку трубопровода появляются центробежные силы, создающие перепад давлений между точками с разными радиусами кривизны [13,15].

Статические характеристики центробежных расходомеров имеют следующий вид:

для капельных жидкостей

для газов